Nejjednodušším mechanismem je mechanické zařízení, které mění směr nebo velikost síly . [2] Obecně je lze definovat jako nejjednodušší nástroje, které ke zvýšení síly využívají mechanický zisk (také nazývaný pákový efekt ). [3] Termín obvykle odkazuje na šest klasických nejjednodušších mechanismů, které našli renesanční vědci : [4] [5] [6]
Nejjednodušší mechanismus využívá jednu působící sílu k práci proti jedné zátěžové síle. Bez zohlednění ztrát třením se práce vykonaná na zátěži rovná práci vykonané aplikovanou silou. Mechanismus může zvýšit výstupní sílu proporcionálním snížením vzdálenosti, kterou náklad urazí. Poměr výstupní síly k aplikované síle se nazývá mechanické zesílení .
Nejjednoduššími mechanismy lze dosáhnout zvýšení rychlosti pohybu. V těchto případech je pohyblivá část spojena s dlouhým koncem páky (např. píst parního stroje parní lokomotivy přenáší velkou sílu přes ojnici na krátké rameno kliky a v důsledku toho ráfek kola získá větší rychlost), volný konec kladkostrojů atd. a k pohonu mechanismu je nutné vyvinout sílu odpovídající počtukrát větší, než je reakční síla. [7]
Nejjednodušší stroje lze považovat za základní „stavební bloky“, které tvoří stále složitější stroje (někdy nazývané „složené stroje“ [8] [9] ). [3] [10] Například kola, páky a bloky se používají v mechanismu jízdního kola . [11] [12] Mechanické zisky složeného mechanismu jsou jednoduše součinem mechanických zisků těch nejjednodušších mechanismů, ze kterých se skládá.
Ačkoli mají stále velký význam v mechanice a aplikované vědě, moderní mechanika se posunula za představu nejjednodušších mechanismů jako minimálních stavebních bloků, které tvoří všechny stroje , které se objevily během renesance jako neoklasické rozšíření starověkých řeckých textů. Těchto šest kategorií dostatečně nepopisuje obrovskou rozmanitost a sofistikovanost moderních mechanických spojení, která se objevila během průmyslové revoluce . Různí porenesanční autoři sestavili rozšířené seznamy „primitivních mechanismů“, přičemž často používali termíny jako základní stroje , [11] složené stroje [8] nebo strojové prvky , aby je odlišili od výše popsaných klasických primitivních mechanismů. Do konce 19. století identifikoval Franz Reuleaux [13] stovky strojních prvků a nazval je jednoduchými stroji . [14] Moderní teorie strojů analyzuje stroje jako kinematické řetězce sestávající z elementárních článků nazývaných kinematické dvojice .
Myšlenka nejjednoduššího mechanismu vznikla u řeckého filozofa Archiméda kolem třetího století před naším letopočtem, který studoval archimedovské nejjednodušší mechanismy: páku, blok a šroub . Objevil princip mechanického zisku pro páku. [15] Slavná Archimédova poznámka o páce: „Dejte mi místo, na kterém bych mohl stát, a já pohnu Zemí“ ( řecky δῶς μοι πᾶ στῶ καὶ τὰν γᾶν κινάσω ) [16] vyjadřuje pochopení, že neexistuje žádná hranice koeficient přenosu, kterého lze dosáhnout pomocí mechanického zesílení. Pozdější řečtí filozofové identifikovali klasických pět nejjednodušších mechanismů (s výjimkou nakloněné roviny ) a byli schopni vypočítat jejich (ideální) mechanický zisk. [9] Například Hrdina Alexandrie (asi 10–75 n. l.) ve svém díle Mechanika uvádí pět mechanismů, které dokážou „uvést zátěž do pohybu“; páky , vrátku, špalíku , klínu a šroubu a popisuje jejich výrobu a použití. Chápání Řeků se však omezovalo na statiku nejjednodušších mechanismů (rovnováhu sil) a nezahrnovalo dynamiku , kompromis mezi silou a vzdáleností nebo koncept práce .
Během renesance se začalo uvažovat o dynamice mechanických sil , jak se nejjednodušším strojům říkalo, z hlediska toho, jak daleko dokážou zvednout břemeno, kromě síly, kterou mohou vyvinout, což nakonec vedlo k novému pojetí mechanické práce . . V roce 1586 získal vlámský inženýr Simon Stevin mechanickou výhodu nakloněné roviny a byla začleněna do dalších jednoduchých strojů. Kompletní dynamickou teorii nejjednodušších mechanismů vyvinul italský vědec Galileo Galilei v roce 1600 v pojednání Le Meccaniche ( O mechanice ), ve kterém ukázal, že nárůst síly je základem matematické podobnosti těchto mechanismů. [17] [18] Jako první vysvětlil, že nejjednodušší stroje energii nevytvářejí , ale pouze přeměňují.
Klasická pravidla pro posuvné tření ve strojích objevil Leonardo da Vinci (1452-1519), ale nebyla publikována a jednoduše zdokumentována v jeho sešitech a byla založena na přednewtonské vědě, jako je víra ve tření jako éterickou tekutinu. Znovu je objevil Guillaume Amonton (1699) a dále je rozvinul Charles-Augustin de Coulomb (1785). [19]
Je obvyklé rozlišovat osm jednoduchých mechanismů, z nichž čtyři jsou variací dvou hlavních:
Pokud nejjednodušší mechanismus neztrácí energii v důsledku tření, opotřebení nebo deformace, pak se energie šetří a nazývá se ideální nejjednodušší mechanismus. V tomto případě se výkon dodávaný do stroje rovná výstupnímu výkonu a mechanické zesílení lze vypočítat na základě jeho geometrických rozměrů.
I když každý stroj pracuje mechanicky jinak, matematicky fungují stejně. [21] V každém stroji síla působící na zařízení v jednom bodě vede k provedení práce přesunu břemene silou v jiném bodě. [22] Ačkoli některé stroje pouze mění směr síly, jako například pevný blok, většina strojů zvyšuje sílu o faktor rovný mechanickému zesílení.
které lze vypočítat z geometrie stroje a tření.
Nejjednodušší mechanismy neobsahují zdroj energie [23] , takže nemohou vykonat více práce , než dostanou z přicházející síly. [22] Nejjednodušší mechanismus bez tření a pružnosti se nazývá ideální nejjednodušší mechanismus . [24] [25] [26] Díky zachování mechanické energie v ideálním jednoduchém mechanismu je výstupní výkon (rychlost změny energie) v každém okamžiku roven příkonu
Výstupní výkon se rovná rychlosti zatížení vynásobené zatěžovací silou . Podobně je příkon z aplikované síly roven rychlosti vstupního bodu krát aplikovaná síla . Tudíž,
Mechanický zisk ideálního stroje se tedy rovná poměru otáček , poměru vstupních a výstupních otáček
Poměr rychlostí se také rovná poměru ujetých vzdáleností v daném časovém období [27] [28] [29]
Mechanické zesílení ideálního mechanismu se tedy také rovná poměru ujeté vzdálenosti na vstupu ke vzdálenosti ujeté na výstupu.
|
Lze jej vypočítat na základě geometrie mechanismu. Například poměr mechanického zisku a vzdálenosti pro páku se rovná poměru ramen páky .
Mechanický zisk může být větší nebo menší než jedna:
U vrtule , která využívá rotační pohyb, musí být vstupní síla nahrazena momentem a otáčky úhlovou rychlostí hřídele.
Všechny skutečné stroje jsou vystaveny tření, které rozptyluje část vstupní energie ve formě tepla. Označíme-li výkon ztracený třením v důsledku zákona zachování energie
Mechanická účinnost stroje (kde ) je definována jako poměr výstupního výkonu ke vstupnímu výkonu a je mírou ztráty energie třením.
Jak je uvedeno výše, síla je produktem síly a rychlosti
Tudíž,
|
U neideálních strojů je tedy mechanický zisk vždy menší než poměr otáček ke koeficientu η . Mechanismus s třením tedy nebude schopen přemístit tak velké zatížení jako odpovídající ideální mechanismus za použití stejné vstupní síly.
Složený mechanismus je stroj složený ze sady jednoduchých mechanismů zapojených do série, přičemž výstupní síla jednoho zajišťuje vstupní sílu dalšího. Například stolní svěrák se skládá z páky (rukojeť svěráku) zapojené do série se šroubem, zatímco jednoduché ozubené soukolí se skládá z řady ozubených kol ( kol a náprav ) zapojených do série.
Mechanický vrchol složeného mechanismu je poměr výstupní síly aplikované na poslední mechanismus v sérii ke vstupní síle aplikované na první mechanismus, tzn.
Vzhledem k tomu, že výstupní síla každého mechanismu hraje roli vstupní síly pro následující , je tento mechanický zisk také poskytován působením celého řetězce mechanismů.
Mechanický zisk složeného mechanismu se tedy rovná součinu mechanických zisků řady jednoduchých mechanismů, které jej tvoří.
Podobně je účinnost složeného mechanismu také součinem účinnosti počtu jednoduchých mechanismů, které jej tvoří.
V mnoha jednoduchých mechanismech, pokud je zatěžovací síla F out na mechanismu dostatečně velká ve vztahu ke vstupní síle F in , pak se mechanismus posune dozadu, zatímco zatěžovací síla vytvoří práci s příchozí silou. [30] Tyto mechanismy lze tedy použít v libovolném směru, přičemž hnací síla působí v libovolném bodě. Pokud je například zátěžová síla na páku dostatečně velká, páka se posune dozadu a posune vstupní páku v opačném směru než je vstupní síla (převážení). Říká se jim „ reverzibilní “ nebo „ neblokující “ mechanismy.
U některých mechanismů, pokud jsou třecí síly dostatečně velké, je však žádná zatěžovací síla nemůže posunout zpět, i když je vstupní síla nulová. Toto se nazývá „samouzamykací“, „nevratný“ mechanismus . [30] Tyto mechanismy lze uvést do pohybu pouze vstupní silou, a když je vstupní síla odstraněna, zůstanou nehybné, „uzamčené“ třením, v jakékoli poloze, ve které jsou zastaveny.
K samosvornosti dochází především u mechanismů s velkými plochami kluzného kontaktu pohyblivých částí: šroub , nakloněná rovina a klín :
Stroj bude samosvorný právě tehdy, když jeho účinnost η bude nižší než 50 %: [30]
Zda bude mechanismus samosvorný, závisí jak na silách tření ( koeficient statického tření ) mezi jeho částmi, tak na poměru vzdálenosti din / dout ( ideální mechanický zisk). Pokud je tření i ideální mechanické zesílení dostatečně velké, pak dojde k samosvornosti.
Když se mechanismus pohybuje v dopředném směru z bodu 1 do bodu 2, zatímco přicházející síla pracuje se zatěžovací silou, pak ze zákona zachování energie [31] [32] bude vstupní práce rovna součtu práce vykonaná se zatěžovací silou a práce ztracená v důsledku tření
Pokud je účinnost nižší než 50%
Když se mechanismus pohybuje zpět z bodu 2 do bodu 1, nebo když zatěžovací síla působí na přicházející sílu, dochází ke ztrátě energie v důsledku tření. . Podobně
Tedy výstupní práce
Mechanismus je tedy samosvorný, protože práce rozptýlená třením je větší než práce vykonaná zatěžovací silou pohybující se zpět, a to i při absenci vstupní síly.
Stroje jsou považovány za mechanické systémy, skládající se z pohonů a jednoduchých mechanismů , které přenášejí síly a pohyb, ovládané senzory a ovladači. Komponenty aktuátorů a mechanismů se skládají z článků a závěsů, které tvoří kinematické řetězce.
Nejjednoduššími mechanismy jsou základní příklady kinematických řetězců , které se používají k modelování mechanických systémů od parních strojů po robotická ramena. Ložiska, která tvoří osu ramene a umožňují otáčení kola, nápravy a bloků, jsou příklady kinematické dvojice zvané otočná. Stejně tak rovná plocha nakloněné roviny a klín by byly příklady kinematické dvojice zvané posuvný spoj. Šroub je obvykle označován jako vlastní kinematická dvojice, nazývaná šroubovitý kloub.
Dvě páky nebo kliky jsou spojeny do plochého čtyřtyčového spojovacího systému připojením páky , která spojuje výstup jedné kliky se vstupem druhé. Další články mohou být připojeny k vytvoření šestičlánkového článku nebo v sérii k vytvoření robota. [25]
Identifikace nejjednodušších mechanismů vychází z touhy vytvořit systematickou metodu pro vynalézání nových strojů. Důležitou otázkou tedy je, jak jsou jednoduché mechanismy kombinovány za účelem vytvoření složitějších mechanismů. Jedním z přístupů je zapojit jednoduché mechanismy do série za účelem získání složitých strojů.
Úspěšnější nápad však představil Franz Reuleaux , který shromáždil a prostudoval přes 800 základních strojů. Uvědomil si, že páka, kladka, kolo a náprava jsou ve skutečnosti jedno a totéž zařízení: tělo otáčející se kolem závěsu. Podobně nakloněná rovina, klín a šroub jsou blokem klouzajícím po rovném povrchu. [33]
Tato implementace ukazuje, že jsou to klouby nebo klouby, které zajišťují pohyb, které jsou hlavními prvky stroje. Počínaje čtyřmi typy závěsů, otočným kloubem , posuvným kloubem , vačkovým kloubem a ozubeným kloubem , jakož i souvisejícími spoji, jako jsou kabely a řemeny, lze stroj chápat jako sestavu pevných částí, které tyto spoje spojují. [25]
Návrh mechanismů k provedení potřebného pohybu a přenosu síly je známý jako kinematická syntéza. Jedná se o soubor geometrických metod pro mechanické navrhování pák , vaček a hnaných mechanismů, ozubených kol a ozubených kol .
![]() |
|
---|---|
V bibliografických katalozích |
|